張 瑾 （北京市第四中學 北京 100034）

新頒布的《普通高中生物學課程標準（2017年版）》以培養(yǎng)學生的生物學核心素養(yǎng)為課程宗旨，倡導學生進行科學探究并形成科學思維習慣。浙科版高中生物學必修1“物質進出細胞的方式”這一節(jié)中的“探究洋蔥表皮細胞液的濃度范圍”實驗正是培養(yǎng)學生探究能力和科學思維的有利契機，并有助于學生理解滲透過程，因而是一個重要的實驗。但是，此實驗將“引起約50%的細胞發(fā)生初始質壁分離的蔗糖濃度”作為判定標準，只能推測大致的細胞液濃度范圍，學生很難準確分辨初始質壁分離的細胞，實驗效果并不理想。此外，教材對實驗數(shù)據(jù)的處理沒有具體要求，通過實驗培養(yǎng)學生科學思維的預期目標也難以實現(xiàn)。

事實上，將植物組織置于不同濃度的蔗糖溶液中發(fā)生滲透作用后，組織質量變化與蔗糖溶液濃度之間在一定范圍內呈線性關系，這是引導學生進行探究、構建數(shù)學模型、培養(yǎng)科學思維的極好素材。進行建模教學不僅因為模型能直觀地揭示內在規(guī)律，更因為構建模型的過程就是一種高層次的科學思維過程。因此，筆者嘗試使用稱量法通過簡單的實驗操作獲得較為理想的實驗效果，并在教學過程中引導學生設計實驗，通過繪圖構建數(shù)學模型分析實驗結果、推測細胞液濃度，從而培養(yǎng)學生的科學思維和探究能力，提高生物學核心素養(yǎng)。

此外，學生通過前面的學習已經知道：植物細胞是一個滲透系統(tǒng)，原生質層相當于半透膜，對于應用已習得的知識進一步探究細胞液的濃度抱有很高的學習期待和熱情。本校的學生學習能力較強、求知欲高，會以積極認真的態(tài)度參與實驗過程。

綜上，制定教學目標如下：闡明成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)； 嘗試用稱量法探究蘿卜根部細胞的細胞液濃度，提高學生設計實驗、運用繪圖及數(shù)學建模等數(shù)學方法分析實驗結果的科學探究能力，養(yǎng)成科學思維的習慣，提高生物學核心素養(yǎng)。本實驗教學的重點是實驗設計和實驗數(shù)據(jù)分析；教學難點是實驗數(shù)據(jù)分析。

1 實驗的設計

1.1 實驗目的 通過稱量并比較水蘿卜根部組織放在一系列梯度濃度蔗糖溶液中質量的變化，探究水蘿卜根部細胞的細胞液濃度。

1.2 實驗原理 成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)，原生質層相當于半透膜。植物組織與外界溶液接觸時，當細胞液的濃度大于外界溶液的濃度，組織吸水、質量增大；當細胞液的濃度小于外界溶液的濃度，組織失水、質量減?。蝗艏毎旱臐舛鹊扔谕饨缛芤旱臐舛?，則水分交換保持動態(tài)平衡，組織 質 量不 變［1］。

1.3 實驗準備

1）實驗材料：新鮮的水蘿卜儲藏根。水蘿卜綠皮紅芯，俗稱“心里美”。實驗時最好選取含水量大、根的木質部為深紅色的蘿卜。

2）用具：電子天平（或天平、砝碼）、250 mL 燒杯、封口膜、橡皮筋、內徑為6 mm 的打孔器、刀、直尺、鑷子、量筒、玻璃棒、藥匙、培養(yǎng)皿、吸水紙、記號筆。

3）試劑：蔗糖、蒸餾水。

4）其他實驗準備：拍攝實驗操作特寫照片、編制實驗報告。學生課上進行蒸餾水及0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L、0.6 mol/L蔗糖溶液的實驗； 教師課前進行0.7 mol/L、0.8 mol/L、0.9 mol/L、1.0 mol/L 蔗糖溶液的實驗，拍照并記錄數(shù)據(jù)，課上進行展示。

2.4 實驗步驟 在本教學設計中，下述實驗步驟的前5 步操作由教師指導部分學生課前完成，每組實驗步驟如下：

①用蔗糖和蒸餾水配制0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L、0.6 mol/L 的蔗糖溶液各100 mL。將配制好的6 種不同濃度的蔗糖溶液及100 mL 蒸餾水分別倒入7 個250 mL 燒杯中，用記號筆做好標記。

②將蘿卜切段，每段厚度約為3 cm。

③用打孔器在蘿卜段的紅色芯部（即木質部）上垂直地切出28 個長度約為3 cm 的蘿卜條。

④4 個蘿卜條為一組，用天平稱量并記錄每組蘿卜條的質量，共記錄7 組數(shù)據(jù)。

⑤將7 組蘿卜條分別放入7 個裝有100 mL蒸餾水或不同濃度蔗糖溶液的燒杯中，在陰涼通風處浸泡1.5 h［2］至過夜［3］。教師可根據(jù)排課需要選擇浸泡時間。注意：長時間浸泡需蓋上封口膜，綁好皮筋，防止液體過度蒸發(fā)。若使用分析天平，浸泡1.5 h 后就可測量結果；若使用普通天平，需浸泡2.5 h 以上，組織質量變化更大，利于測量。

⑥用鑷子小心地將蘿卜條從燒杯中取出，放置培養(yǎng)皿中，并用吸水紙輕輕吸去蘿卜條表面的多余液體。注意：不要用吸水紙過度擦拭蘿卜條表面，或將蘿卜條長時間置于吸水紙上。

⑦觀察蘿卜條形態(tài)和顏色的變化，稱量每組蘿卜條的質量，并記錄在實驗報告中。

2 實驗的實施

本實驗活動安排1 課時。實驗教學過程主要分為：實驗設計、實驗操作和實驗分析。

2.1 引導學生設計、交流、評價、審讀實驗方案，培養(yǎng)學生科學探究能力

1）引導學生獨立設計實驗大致方案，組織討論進行比較、判斷。

首先，讓學生在獨立思考的基礎上，自行設計探究植物細胞液濃度實驗大體思路。然后，在全班進行分享交流。學生的設計思路集中在以下2 種：

方案1： 根據(jù)觀察植物細胞在不同濃度溶液下的質壁分離的情況，判斷細胞液的濃度。

方案2： 根據(jù)稱量植物組織在不同濃度溶液中的失水或吸水產生的重量變化，判斷細胞液的濃度。

前者是學生聯(lián)想已經做過的“觀察植物細胞的質壁分離和復原”實驗進行的設計；后者是類比教師演示過的“探究滲透的條件”模擬實驗而設計的方案?！疤骄繚B透的條件”模擬實驗是將3 個裝有相同濃度、等體積的蔗糖溶液的透析袋，密封后分別置于清水、 相同濃度及更高濃度的蔗糖溶液中。一段時間后，置于清水中的透析袋內的液體變多，置于更高濃度蔗糖溶液中的透析袋內的液體變少，置于相同濃度溶液中的透析袋內的液體體積基本不變。

而后，教師引導學生歸納、 比較2 種方案的異、同點，并進行評價、判斷。經過討論，師生達成共識：2 種方案的實驗原理相同，都是基于成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)而設計的；但本質不同，方案1 是定性實驗，方案2 是用稱量法進行定量實驗，可獲得更精確的實驗結果，進而選擇方案2。

2）根據(jù)實驗材料，分組設計具體實驗步驟并交流、完善。

教師告知學生可提供的材料、器具，以及與水蘿卜根部細胞等滲的蔗糖濃度是在0 mol/L～0.6 mol/L的范圍內。學生以小組為單位設計實驗步驟，并在全班交流。學生一般都能考慮到配制梯度濃度的蔗糖溶液進行實驗。在研討實驗步驟的過程中，教師引導學生從設計單因子變量、控制無關變量（例如切出形狀、重量相近的蘿卜）、重復實驗等方面相互評價，完善實驗方案。

3）審讀實驗報告，比較實驗步驟異、同點，分析設計意圖。

教師下發(fā)實驗報告，讓學生審讀實驗步驟，并與自己設計的實驗步驟相比較，說明其中的異、同點，分析實驗步驟的設計意圖，進而培養(yǎng)學生的審讀、歸納、說明能力。學生能夠領會：用打孔器切蘿卜的目的是使各組的蘿卜條形狀、重量相近；每組使用4 個蘿卜條使得質量變化幅度增大，利于測量。

在以上實驗設計的教學環(huán)節(jié)中，學生通過聯(lián)想、類比、歸納、比較、判斷等過程，訓練了科學思維。教師安排多次討論活動，將話語權更多地交給學生，以提高學生的參與度。不僅調動學生的積極性，且在設計、交流、評價實驗方案的過程中也進一步提升了學生的科學探究能力。

2.2 組織學生分組進行實驗操作 在實驗操作的實施過程中，全班分為3 組進行重復實驗，每組使用一個分析天平。若使用普通天平，可安排每2位學生使用一個普通天平，測量一種溶液中的蘿卜條質量，組內匯總、分享數(shù)據(jù)。

為了有效利用課堂時間，實驗操作步驟的前5 步已由教師指導部分學生課前完成，使用分析天平測量，蘿卜條浸泡時間為1.5 h。課上，讓參與實驗準備的學生結合實驗操作的特寫照片講解實驗前5 步的操作要點； 教師再結合實驗報告講解最后2 步的操作要點，特別提示不要用吸水紙過度擦拭蘿卜條表面，以免導致蘿卜條失水過多。隨后，學生以小組為單位討論分工及操作細節(jié)，要點包括： 最好由1 名學生負責擦去蘿卜條表面的水分，使各組蘿卜條表面濕度相近，便于橫向比較；蘿卜條從擦干到稱量的時間不宜過長，以免蒸發(fā)過多水分。

教師監(jiān)督并指導學生操作實驗，將實驗數(shù)據(jù)記錄在實驗報告的《實驗數(shù)據(jù)記錄及分析表》中，組內分享數(shù)據(jù)，并由學生將數(shù)據(jù)輸入教師電腦的Excel 數(shù)據(jù)表中。

2.3 引領學生運用數(shù)學方法深入分析實驗結果，構建數(shù)學模型，進行科學思維訓練 在實驗教學過程中，引導學生分析實驗數(shù)據(jù)獲得結論，是進行科學思維訓練的最好方式。因為科學思維是基于論證和邏輯推理的思維過程和方式。引導學生分析本實驗獲得的數(shù)據(jù)，就是對學生進行邏輯思維訓練。但在以往的教學中，僅根據(jù)能引起約50%的細胞發(fā)生初始質壁分離的蔗糖濃度推測細胞液濃度的大致范圍，舍棄了其他蔗糖濃度的實驗結果中蘊含的寶貴信息，未能在全部實驗數(shù)據(jù)的基礎上估值。此外，植物組織發(fā)生滲透作用后，質量變化與蔗糖溶液濃度之間在一定范圍內呈負相關，正是引導學生構建數(shù)學模型，培養(yǎng)科學思維的好材料。因此，筆者在教學中進行了如下嘗試：

1）學生觀察、展示并交流實驗結果。隨著蔗糖溶液濃度升高，蘿卜條的體積變小，顏色變深。在蒸餾水和0.1 mol/L 蔗糖溶液中浸泡過的蘿卜條體積比浸泡前體積更大、顏色更淺，在0.6 mol/L蔗糖溶液中浸泡過的蘿卜條比浸泡前體積明顯變小、顏色更深。學生很容易分析得出：蘿卜條的顏色變淺是因為細胞液濃度高于外界溶液濃度，水分子跨越原生質層，進入液泡，使細胞液濃度降低； 同時細胞體積增大，使得組織脹大； 反之亦然。學生能預測：在一定蔗糖溶液濃度范圍內，如果用更高濃度的蔗糖溶液浸泡蘿卜條，蘿卜條的體積會更小、顏色更深。教師展示預實驗結果照片（圖1）驗證學生的猜想。

圖1 教師預實驗結果照片

讓學生展示并交流實驗結果，旨在培養(yǎng)學生觀察和描述實驗現(xiàn)象的能力，并實現(xiàn)學生間的相互評價。

2）進一步解讀實驗數(shù)據(jù)——計算蘿卜條的質量變化的百分比。學生通過觀察宏觀的實驗現(xiàn)象，已經推測蘿卜條因滲透失水或吸水產生的質量變化與外界溶液的濃度有關。教師引導學生思考：二者在微觀上是否存在明確的數(shù)量關系？學生能夠回答： 可以比較每組蘿卜條浸泡前、 后的質量差異。教師進一步質疑：盡管用打孔器切出的蘿卜條的質量已經很相近，但每組蘿卜條浸泡前的質量仍存在差異，應如何處理數(shù)據(jù)，以消除材料初始的質量差異？學生可以推理得出：用每組蘿卜條的質量變化除以浸泡前的質量，計算各組材料質量變化的百分比，由此可消除材料初始質量的差異，使各組數(shù)據(jù)可以橫向比較。

計算公式如下：

表1為某位學生在實驗報告中記錄并分析的實驗數(shù)據(jù)。

表1 學生記錄的實驗數(shù)據(jù)記錄及分析表

3）借助坐標紙繪圖建立數(shù)學模型，分析實驗數(shù)據(jù)獲得結論。為了尋找實驗數(shù)據(jù)中蘊含的規(guī)律，引導學生利用坐標紙繪制蘿卜條的質量變化百分比隨蔗糖溶液濃度變化圖，并推薦一位學生在投影儀下繪圖，方便課堂的交流與討論。利用坐標紙繪圖不僅便于課堂教學的組織，培養(yǎng)學生繪制、分析圖表的能力，還能獲得較為精確的數(shù)據(jù)。

將7 組實驗數(shù)據(jù)標至圖上，可見7 個點基本處于一條直線上。學生能歸納得出“蔗糖溶液濃度在0～0.6 mol/L 范圍內，蘿卜條的質量變化百分比與蔗糖溶液的濃度呈負相關”，進而添加一條直線作為趨勢線。讓直線通過盡可能多的點，不在直線上的點均勻分布在直線的兩側。所構建的數(shù)學模型能揭示蘿卜條因滲透失水或吸水產生的質量變化與外界蔗糖溶液之間的關系。

然后，根據(jù)數(shù)學模型中趨勢線與X 軸的焦點推斷蘿卜根部細胞的細胞液濃度。圖2是學生繪圖的照片，估值為0.440 mol/L，其他組的估值也與此相近。本次估值是建立在全部實驗數(shù)據(jù)的基礎上，對數(shù)據(jù)的分析更加科學、充分。

圖2 學生在坐標紙上繪制的數(shù)據(jù)曲線

教師質疑： 如果將蘿卜條置于蔗糖濃度更高的溶液中，實驗數(shù)據(jù)對應的點是否始終在一條直線上？學生根據(jù)已學的細胞結構相關知識推測：當蔗糖溶液濃度高過一定范圍后，隨著蔗糖溶液濃度的升高，蘿卜條質量變化的百分比下降速度將減緩。教師展示課前進行的更高濃度蔗糖溶液的預實驗結果數(shù)據(jù)及繪制的關系圖（圖3），驗證學生的預測。

4）分析誤差，提出改進方案——運用Excel 軟件匯總數(shù)據(jù)并精確計算。教師組織學生討論誤差來源，歸納如下：①實驗操作：配制梯度濃度的蔗糖溶液時，有的溶液沒有完全混勻；雖然都在蘿卜的木質部取樣，但是不同部位的組織結構仍存在差異；每組蘿卜條浸泡后擦干的程度不統(tǒng)一。②數(shù)據(jù)分析：樣本較少；通過目測添加的趨勢線不夠精確。

學生提出的改進方案如下： 盡量在同一個蘿卜段上與中心點距離相同處的一個圓上打孔取樣，從而減少組織結構的差異；每組由一位學生通過固定流程根據(jù)相同標準擦干材料上的水分；匯總全班數(shù)據(jù)或進行多次重復實驗； 使用Excel 軟件繪制趨勢線，精確估值。

教師演示使用Excel 軟件匯總、分析全班實驗數(shù)據(jù)： 將全班3 組蘿卜條的質量變化百分比取平均值；以蔗糖溶液濃度為橫坐標，蘿卜條的質量變化百分比為縱坐標，繪制“散點圖”；添加趨勢線時選擇“線性”類型，并顯示公式及R2值（圖3）。R2值為0.985 說明趨勢線與數(shù)據(jù)的擬合度很好，精確證明了 “蔗糖溶液濃度在0～0.6 mol/L 范圍內，蘿卜條質量變化的百分比與蔗糖溶液濃度呈負相關”。根據(jù)公式可計算出與蘿卜根部細胞的等滲蔗糖溶液濃度約為0.446 mol/L，與學生使用坐標紙的估值很相近。本部分的教學將現(xiàn)代信息技術與生物學有機地結合，分析的結果更加精確，激發(fā)了學生的學習興趣，并提高了科學思維水平。

圖3 運用Excel 軟件繪制蘿卜條質量變化的百分比隨蔗糖溶液濃度變化圖

最后，教師再次引導學生遷移知識，設計實驗：如果本實驗不提供天平，而提供游標卡尺，應該如何設計？學生能類比分析得出可使用游標卡尺測量蘿卜條的直徑和長度，進而計算蘿卜條的體積，通過探究蘿卜條在不同濃度的蔗糖溶液中的體積變化，可分析得出蘿卜細胞的細胞液濃度。

在以上實驗分析過程中，學生體驗了環(huán)環(huán)相扣、逐級遞進的完整思維過程。教師引導學生構建數(shù)學模型分析實驗數(shù)據(jù)，其論證過程嚴謹，邏輯推理結論可信，從而將培養(yǎng)學生的生物核心素養(yǎng)落到實處。

3 教學反思

本實驗可簡化為稱量蘿卜條在蒸餾水、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6mol/L 蔗糖溶液中的質量變化，也可獲得不錯的實驗效果。或是探究蘿卜條在蒸餾水、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L 蔗糖溶液中的質量變化，可先引導學生分析得出數(shù)據(jù)呈線性關系的范圍，再添加趨勢線。在教學中，也可以安排學生課前分組根據(jù)自己設計的實驗方案進行探究，課上交流、 分析實驗結果，每組實驗結果可互為驗證。

本實驗所需的材料用具簡單，成本較低，便于開展。但是溫度、水蘿卜品種及新鮮程度等因素都會對實驗結果造成一定影響，教師需進行預實驗。

致謝： 感謝北京第四中學特級教師鄭春和老師、陳月艷老師的悉心指導，以及2019 屆8 班葉元龍、祝敏哲、歐麗曳、楊洽同學的大力協(xié)助。